专利名称：制造用于确定和/或监控过程量的测量装置的方法和装置以及测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造用于确定和/或监控容器中的介质的过程量的测量装置的方法，该测量装置具有机械可振荡单元，其通过夹具可固定在传感器外壳和/或容器上；和驱动/接收单元，其激励机械可振荡单元振荡或者接收机械可振荡单元的振荡。本发明还涉及用于制造这种测量装置的装置以及测量装置本身。过程量例如是容器中介质的料位、密度或粘度。机械可振荡单元可以是例如振荡叉或单棒。
本申请人以商标LIQUIPHANT制造并销售料位测量仪表。这些测量仪表包括振荡叉作为机械可振荡单元，该振荡叉包括两个叉齿，它们被作为驱动/接收单元的压电元件经由薄膜激励机械振荡。在这种情况中，叉的两个叉齿彼此反相振荡。如果料位待监控的介质与可振荡单元接触，那么这导致振荡的频率和/或幅度变化。以这种方式，可以检测达到料位。相应地，还可以检测低于料位，即，振荡叉何时开始被介质覆盖然后水平降低。可振荡单元固定在其上并且经由它被激励振荡或经由它接收振荡的薄膜经由夹具与仪表的外壳或容器壁连接。另外，在测量仪表中通常还提供放大单元，其放大并反馈接收的信号。
在振荡叉的情况中以及在现场设备/测量仪表中使用的所有其它机械可振荡单元的情况中，重要的是可振荡单元的对称性。于是，在振荡叉中必须保证两个叉齿以这样的方式反相振荡，使得作用于夹具的反作用力和力矩被尽可能最小化。为此，例如需要两个叉齿都具有相等的质量惯性矩，于是也具有相等的扭矩。于是，当可振荡单元的振荡不导致夹具上的反作用力和力矩，并因而存在振荡彼此匹配的机械可振荡单元的元件(例如，所述的叉的叉齿)时，这样对称构造可振荡单元，使得夹具上的力和扭矩精确地彼此抵消，从而剩余的作用力和力矩尽可能平衡。如果存在不对称，即，例如一个叉齿比另一个重，则不可能保证作用于夹具的力和力矩彼此补偿。这种补偿对于防止通过夹具的能量损耗是重要的。能量损耗导致振荡幅度降低。另外，不对称可以导致振荡频率在两个值之间不期望地跳动，这种情况能够破坏测量。
在现有技术中用于测量振荡叉的对称性的一种方法中，分离地确定每一叉齿的振荡频率。如果存在大于预定公差范围的差，则例如调整(例如降低)叉齿的重量或刚性。这种频率测量非常复杂。它用于现场设备的制造中。在现场中，几乎不可能确定个别叉齿的振荡频率。
因此，本发明的目的是识别在测量仪表的机械可振荡单元中的非对称。
本发明通过用于制造测量装置以使测量装置的机械可振荡单元对称的方法和装置实现该目的。另外，本发明利用测量装置本身实现该目的，由此在使用测量装置期间以及安装之后都可以监控对称。通过本发明，一方面可以防止在制造测量装置期间的不对称，另一方面可以在测量期间监控对称以及与其相关联的测量精度。
本发明通过以下措施利用用于制造测量装置的方法实现该目的激励机械可振荡单元振荡；检测由于机械可振荡单元的振荡而作用在夹具上的反作用力和/或反作用力矩；当反作用力和/或反作用力矩超过可预定的极限值时，发出通知；并且，在有通知的情况中，改变机械可振荡单元的与振荡相关的性能。于是，本发明的一个思想是，由于不对称而引起的力和力矩用于在制造期间平衡可振荡单元的这些“不平衡”，即“失配”。
由于制造公差，通常机械可振荡单元往往不被理想地平衡。如果这个“失配”高于一定的可预定范围，那么频率例如彼此相差多于可预定的百分比，并且于是测量不再精确及可靠，或者它们甚至是不可能的。于是，通过检测不对称引起的力和力矩，控制对称。如果这些力和/或力矩大于确定值，那么在可振荡单元的元件中存在相应的差，在可振荡单元是叉时，这里的元件是叉齿；在可振荡单元是单棒时，这里的元件的各个振荡部件。通过调整可振荡单元而平衡这些差。例如，一个叉齿重量增加，或者其刚度改变等等。这样预设极限值，使得不产生测量误差，而尽管还是保持在通用的制造方法的框架中。
本发明通过用于制造测量装置的装置而实现目的，该装置具有以下特征提供用于紧固测量装置的装置，并且提供至少一个力检测单元，其以这样的方式与夹具耦合，使得它检测由于机械可振荡单元的振荡而作用于夹具的反作用力和/或反作用力矩。于是机械可振荡单元被合适的装置夹钳。以这种方式，例如不会产生测量装置的不良定位的影响。另外，还允许控制干扰振动的影响。然后，力检测单元测量不对称引起的力和/或力矩。用于分析力检测单元检测的力和力矩的合适的分析单元是本领域技术人员所熟知的技术。
在一个具有优点的实施例中，提供至少一个力传递单元，其与夹具和/或传感器外壳以及力检测单元以这样的方式耦合，使得力检测单元经由力传递单元检测作用于夹具的反作用力和/或反作用力矩。于是，在这个实施例中，由于振荡不对称而引起的反作用力和力矩被经由力传递单元传递，从而例如力检测单元可以远离机械可振荡单元就位。这例如在制造测量仪表或机械可振荡单元中是具有优点的，因为以这种方式，当可振荡单元具有较小尺寸从而不存在足够的空间时也可以检查对称，以将力检测单元与可振荡单元直接连接。另外，在机械可振荡单元或测量装置的制造/输出控制的情况中使用本发明的情况中，力传递单元也用于在测量对称时夹钳测量装置。
在装置的实施例中，力传递单元是法兰。这种法兰通常也相对于测量装置足够重，使得该装置被安全且紧固地夹钳。
本发明在测量装置方面通过以下特征实现该目的提供至少一个力检测单元，其以这样的方式与夹具耦合，使得它检测由于机械可振荡单元的振荡而作用于夹具的反作用力和/或反作用力矩。于是，使用以下事实不对称导致力和力矩从可振荡单元向外传递到夹具上。于是，在本发明中，不对称的结果用于识别该不对称。在这种情况中，与没有连续监控对称的测量仪表或测量装置的上述的方法和上述装置相比，力检测单元是测量装置的固定元件，以在现场使用测量装置期间确定或监控机械可振荡单元的对称。在使用测量装置中，这个力检测单元还用于预防性维护(predictive maintenance)。由于在安装之后在操作期间监控对称，总能保证测量的质量不会由于降低的对称性而降低。在预先诊断(advanced diagnostics)的情况中，通过分析对称的时间特性能够提前确定是否以及何时替换或清洁可振荡单元，其中在由于腐蚀或磨损而引起对称降低的情况中进行替换，在沉淀的情况中进行清洁。为了确定对称，还要指定公差。这涉及制造，还涉及在现场中的应用。一个问题是，例如由于搅拌器导致容器壁振动，所以由环境中的振荡还引起力和力矩。必须例如通过频率分析或与可振荡单元的振荡进行比较，令来自这些运动的力和力矩在反作用力和力矩之外。
在一个实施例中，力检测单元以这样的方式放置，使得它沿基本与机械可振荡单元的振荡轴一致的轴线检测反作用力和/或反作用力矩。通过这种设置，得到非常大的灵敏度，从而可以更精确且更好地确定对称。对此的原因是，在偏离对称的情况中，能量被优选地在振荡轴的方向上传递到夹具上。通常，力检测单元应当以这样的方式相对于机械可振荡单元设置，使得灵敏度尽可能高。
在一个实施例中，力检测单元是加速度传感器。在这种情况中，应当使用灵敏度尽可能高的传感器。
在一个实施例中，机械可振荡单元是振荡叉。其由本申请人以商标LIQUIPHANT和SOLIPHANT制造并销售。
在一个实施例中，机械可振荡单元是单棒。单棒例如具有这样的优点，即，以这种方式减少与介质的接触。而且，单棒避免了在叉中材料可能在叉齿之间堆积的问题。
在进一步的实施例中，机械可振荡单元是包含三个振荡体的单棒，并且至少一个振荡体在连接区域中与夹具相连。关于这一点，参见本申请人的德国专利申请No.103 31 730.9。这种单棒在具有通常不对称的沉淀以及具有同样往往不对称发生的腐蚀的应用中，可能具有困难。在测量装置的应用中，于是可以发现，在单棒的情况中，机械可振荡单元的对称被过程或介质抵消。
现在根据附图详细解释本发明，附图中
图1是根据现有技术的测量仪表的振荡叉的示意图；图2是本发明的用于制造测量仪表的装置的截面；图3是图2的实施例的顶视图；和图4是使用本发明的第二种测量仪表的示意图，这里它是单棒，相比较图1～3中是振荡叉。
图1显示了测量仪表1。它由传感器外壳15构成，外壳中设置驱动/接收单元25，例如压电元件。通过经由夹具20固定在外壳15上的隔膜10，驱动/接收单元25激励机械可振荡单元5振荡或者检测其振荡，这里，机械可振荡单元是振荡叉7。振荡叉7的两个叉齿彼此反相地沿振荡轴6振荡。如果两个叉齿都具有相等的惯性矩或者它们大体上彼此对称，则由于振荡而在外壳15上的隔膜10的夹具20上出现的各个力和力矩彼此补偿。如果叉齿不同，机械可振荡单元5因而不对称，则在夹具20上产生剩余的反作用力和力矩。作为结果，可能损耗振荡能量，这本身表现为测量装置1的灵敏度降低。振荡能量的损耗依赖于测量装置1固定至外壳15的牢固度如何以及容器部分(未显示)是否共振。比能量损耗更严重的问题是，由于不对称，而令振荡频率不期望地在两个值之间往复跳转。在这种情况中，仅有一个叉齿振荡，另一个静止。这可以例如发生在以下情况振荡叉在两个叉齿的频率中具有大于4～5％的不对称，并且测量装置被固定在大法兰中。
图2显示了外壳15通过力传递单元35的自重而夹钳在支架42和力传递单元35之间，其中力传递单元是例如法兰。测量装置1必须被尽可能稳定地固定保持，使得仅测量由于机械可振荡单元5的不对称而引起的反作用力和力矩，并且没有源自例如测量装置1的不稳定就位而引起的力。为此，支架42还通过减震垫41而就位于底面40上。以这种方式，反过来在对称测量中不会有外部力作用于测量装置1。在这里示出的情况中，振荡叉7沿振荡轴6振动。如果两个叉齿彼此不对称，则反作用力和力矩将被传递到夹具20，并经由力传递单元35传递到力检测单元30.1。力检测单元30.1例如是加速度传感器。图2中所示出的情况还涉及测量装置1的制造，其中可以简单且安全地检查对称。
图3显示了图2中的结构的顶视图。显示了力传递单元35，其在中部具有隔膜10和机械可振荡单元5。振荡叉7沿轴线6振荡。力检测单元30.1的检测轴31.1也位于在这个方向上，因此其对于对称的测量具有理想的灵敏度。如果使用附加的第二力检测单元(未显示)，则可以检测哪一叉齿较轻，哪一叉齿较重。
图2和3显示了在制造测量仪表装置使用本发明的情况。图4显示了一种测量装置，其中在操作期间监控对称。于是，本发明能够安全地保证可靠的测量值或者允许基于测量装置的状态进行预测。
图4显示了单棒8，其作为测量装置1的机械可振荡单元5。这个测量装置1可以由本发明的方法以及本发明的装置制造，但是它的特征除此之外在于它在操作期间还关于对称进行监控。这个单棒8由三个振荡体8.1构成，其中内部振荡体彼此反相地振荡。夹具20位于连接区域8.2中，在这种情况中，测量装置1利用夹具与其中容纳待测量或监控的介质(未显示)的容器2相连。于是，在这种情况中，在现场中使用测量装置1的情况中应用本发明。如果由介质在单棒8上形成沉积，或者如果介质是腐蚀性的或磨蚀性的，则三个振荡体8.1和连接区域8.2的位置不再理想地彼此匹配，并且能量被传递到容器2。这由力检测单元30.1检测。依赖于力检测单元30.1的结构，可以检测机械可振荡单元5的对称的非常小的偏移。以这种方法，通过非常早地识别例如沉积以及由此得到的灵敏度损失，可以例如对于特殊的介质保持测量装置1的灵敏度恒定为非常高。为此，例如可以获得力检测单元30.1的信号的时间发展的分析，以例如检测沉积的发展或者通过磨蚀或腐蚀造成的损耗。
权利要求
1.制造用于确定和/或监控容器(2)中的介质的过程量的测量装置(1)的方法，所述测量装置包括可经由夹具(20)固定至传感器外壳(15)和/或容器(2)的机械可振荡单元(5)以及激励机械可振荡单元(5)振荡或接收机械可振荡单元(5)的振荡的驱动/接收单元(25)，其特征在于，激励机械可振荡单元(5)振荡；检测由于机械可振荡单元(5)的振荡而作用在夹具(20)上的反作用力和/或反作用力矩；当反作用力和/或反作用力矩超过可预定的极限值时，发出通知；并且在有通知的情况中，改变机械可振荡单元(5)的振荡性能。
2.用于根据权利要求1的方法制造测量装置(1)的装置，其特征在于，提供用于夹钳测量装置(1)的装置(35，42)，并且提供至少一个力检测单元(30.1)，其以这样的方式与夹具(20)耦合，使得它检测由于机械可振荡单元(5)的振荡而产生的作用于夹具(20)的反作用力和/或反作用力矩。
3.根据权利要求2的装置，其中提供至少一个力传递单元(35)，其与夹具(20)和/或传感器外壳(15)以及力检测单元(30.1)以这样的方式耦合，使得力检测单元(30.1)经由力传递单元(35)检测作用于夹具(20)的反作用力和/或反作用力矩。
4.根据权利要求3的装置，其中力传递单元(35)是法兰。
5.用于确定和/或监控容器(2)中的介质的过程量的测量装置(1)，具有可经由夹具(20)固定至传感器外壳(15)和/或容器(2)的机械可振荡单元(5)以及激励机械可振荡单元(5)振荡或接收机械可振荡单元(5)的振荡的驱动/接收单元(25)，其特征在于，提供至少一个力检测单元(30.1)，其以这样的方式与夹具(20)耦合，使得它检测由于机械可振荡单元(5)的振荡而产生的且作用于夹具(20)的反作用力和/或反作用力矩。
6.根据权利要求5的测量装置(1)，其中以这样的方式设置力检测单元(30.1)，使得它沿基本与机械可振荡单元(5)的振荡轴(6)一致的轴线(31.1)检测反作用力和/或反作用力矩。
7.根据权利要求5的测量装置(1)，其中力检测单元(30.1)是加速度传感器。
8.根据权利要求5的测量装置(1)，其中机械可振荡单元(5)是振荡叉(7)。
9.根据权利要求5的测量装置(1)，其中机械可振荡单元(5)是单棒(8)。
10.根据权利要求9的测量装置(1)，其中机械可振荡单元是具有三个振荡体(8.1)的单棒(8)，并且至少一个振荡体(8.1)在连接区域(8.2)中与夹具(20)相连。
全文摘要
本发明涉及制造用于确定和/或监控容器(2)中的介质的过程量的测量装置(1)的方法，该测量装置具有机械可振荡单元(5)，该单元通过夹具(20)可固定在传感器外壳(15)上和/或容器(2)上；驱动/接收单元(25)，其激励机械可振荡单元(5)振荡或者接收机械可振荡单元(5)的振荡。根据本发明，激励机械可振荡单元(5)振荡；检测反作用力和/或反作用力矩，该反作用力和/或反作用力矩通过机械可振荡单元(5)的振荡作用于夹具(20)；当反作用力和/或反作用力矩超过预定极限值时，输出通知；以及在输出通知的情况下，改变机械可振荡单元(5)的振荡特性。另外，本发明还涉及相应的装置和测量装置(1)。
文档编号G01N9/00GK1894564SQ200480037972
公开日2007年1月10日 申请日期2004年12月14日 优先权日2003年12月18日
发明者谢尔盖·洛帕京, 布克哈德·卢特贝克 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司